SBS聚合物改性沥青相分离研究

SBS聚合物改性沥青相分离研究

郝冠奇

山东建筑大学山东济南250101

摘要：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)聚合物改性粘合剂是由两相聚合物共同组成的混合物。在引力场的影响下，这种类型的系统是热力学不稳定的，并且有可能发生相分离。在本研究中，通过热存储测试确定相分离，并用软化点、动态力学分析(DMA)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)进行了表征。

关键词：SBS聚合物；DMA；FTIR；相分离。

一、研究背景

聚合物在沥青和聚合物/沥青系统中的相容性和溶解或精细分散的能力决定了改性的粘结剂体系的形成。聚合物改性沥青(PMBs)由于两个组分(沥青和聚合物)之间的化学组分不相似，通常由两个不同的阶段组成。为了达到提高聚合物改性沥青性能的目的，良好的贮藏稳定性(低相分离)是一种基本要求。因此，PMB规范中提出的许多建议都包含了确定相分离的方法。

本文用采取动态力学分析(DMA)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)方法研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)聚合物改性粘合剂的相分离现象。研究了基质沥青的类型、SBS聚合物对相分离的特性和浓度的影响。此外，还研究了分离相的流变学性质，并讨论了相分离的机理。

二、实验材料

在本研究中，用两种不同聚合物含量的SBS对四中来源的五中沥青进行了改性。在制备改性沥青时，600克沥青被加热到液体状态，倒进一个2000毫升的球形烧瓶中。在到达175摄氏度时，将SBS粉末加入到沥青中。然后继续混合，在180摄氏度和125r/min的条件下混合两小时。完成后，SBS沥青从烧瓶中取出并分成小容器。

三、SBS改性粘结剂的热储存

通过热储存试验测定PMB相分离。铝箔管直径3.5厘米，高19厘米，填充约90克均质SBS改性粘结剂。没有空气罩封管后，使其在180摄氏度的条件下垂直存放三天。改性沥青管冷却到环境温度（房间），然后再加热至约210摄氏度c，此后铝箔剥落并将改性沥青试样水平切割成三个相等的部分。从管的顶部和底部的样品进行软化点测试、评估PMB相分离、FTIR和DMA。

DMA

DMA试验使用流变仪(RDAII，流变仪)进行，频率从0.1到100rad/s在257摄氏度下。各试验采用直径8毫米的平行板。将约0.1g的粘结剂应用于底板，覆盖整个表面，然后在流变仪上安装板。加热到粘结剂的软化点后，将顶板与样品接触的同时样品被修整。最后的间隙调整到1.5毫米，然后由致动器施加正弦应变。测量和计算各种粘弹性参数输入计算机进行实际应变和扭矩，包括复杂的模量G*，动态粘度、和相位角。

荧光显微镜

利用荧光显微技术研究热贮存前后的PMB形貌。用一种蓝色的光来照亮改性的粘结剂，用光学显微镜观察膨胀的聚合物相的荧光黄色光。该仪器配备了宝丽来相机和蓝色过滤系统。光激发波长在390-490nm范围内。用少量的加热样品制备了改性粘合剂的压扁玻片，在室温条件下用显微镜观察，放大倍率为250倍。

FTIR

商业红外光谱分光计,无穷60AR(马特森,分辨率0.125cm),研究了SBS改性粘合剂在相分离前后的化学特性。用二硫化碳制备了5％的粘结剂溶液。空白（溶剂）和样品扫描采用圆形密封单元（含1mm间隙的窗口）。每个频谱由325%虹膜扫描波数范围从1200到600cm-2的分辨率。在965和700cm-2的红外吸收峰被用来表征改性粘合剂中的SBS聚合物。

四、结果与讨论

相分离的描述

在本研究中，采用热管贮存试验确定了聚合物改性沥青的相分离。在180℃管内进行了3天的实验后，对从管顶部和底部采集的样品进行了软化点、DMA、FTIR、荧光显微镜等各种测试。相应的测量是运行在原有的改性和未改性的沥青之上。存储和原始粘合剂之间的比较表明，从底部的样品变得更硬，从顶部的部分变得更软。顶部截面的样品也更弹性（较低的相角），而底部的样品比原来的改性粘合剂更粘稠（更高的相角）。这些变化表明SBS聚合物富集相的分离和改性粘合剂的沥青质富集相的相分离。这两个阶段也被称为聚合物相和沥青相。

聚合物吸收的沥青轻馏分的比例可随聚合物含量的增加而增加。SBS含量超过3%时有显著变化。在这一点上，底部变得明显比原粘合剂和顶部更硬。对于给定的改性粘合剂，相分离是存储时间和温度的函数。

由于聚合物改性粘合剂的相分离传统上通过测试经过热储存之后的顶部和底部的软化点(R&B温度)进行评估。由于R&B温度和分离指数（Is）的差异而产生了对比。这两个参数之间没有明显的关系。在某些情况下(如使用沥青的改性粘合剂)，用DMA测量的高相分离，在软化点上有一个小的差异。很明显，如果用这两种方法得到的结果分别进行评估，则可以得出不同的结论。应该注意的是，在测试高弹性改性的粘结剂时，对软化点的测试通常被接受，但在测试高弹性的时候可以给出不相关的结果。因此，软化点可能与未改性和SBS改性沥青的不同性质有关。由于热贮存过程增加了顶部试样的弹性和底部试样的硬度，这样的变化将在R&B温度下被混淆，软化点试验可能不足以评价PMB相分离。

用FTIR来表征改性粘合剂的相分离。965和700的红外吸收板(峰面积)与SBS聚合物的含量成正比。显然，聚合物-富相(顶部的样品)包含比沥青质-富相(底部切片样品)和原始改性粘合剂的高SBS聚合物含量。由于基质沥青的成分在分离指数上的影响，沥青质的增加和/或芳香化合物的减少通常会增加两个相的IR吸收差，。在给定的SBS中，含分枝SBS的改性粘合剂比含线性SBS的具有更高的红外吸收差异。与分离指数相关的红外吸光度差异有统计学意义(风险水平5%)。相关系数分别为0.91和0.89。

五、结论

SBS聚合物的引入干扰了动态平衡，降低了沥青系统的均匀性。在重力场的影响下，相分离可以发生，其中相关的沥青质（沥青质富相）沉降到底部，而溶胀的SBS聚合物（聚合物富集相）移动到改性粘合剂的顶部。两相在流变行为上有很大的差异，其对粘结性能的影响与温度有关。相分离可以通过热存储测试来确定。为了表征相分离，常采用软化点。然而，在改进的绑定器中使用此参数可能不合适。取而代之的是DMA和FTIR。

研究表明，SBS改性粘合剂的相分离受基体沥青的性质和聚合物的特性和含量的影响。在给定的SBS内容中，由含有较高芳烃含量的沥青所产生的改性粘合剂表现出较低的相分离。沥青质的增加可能会增加相分离，而相分离又随着SBS含量的增加而增加。与包含分枝SBS的改性粘合剂相比，线性SBS改性粘合剂在热贮藏过程中显示出较低的相分离。

参考文献：

[1]SBS改性沥青稳定性研究_王明灿-2014

[2]SBS改性沥青稳定机理的研究_吉永海-2012

[3]苯乙烯与丁二烯三嵌段共聚物(SBS)微相分离结构形态的研究_张权-2002